CN105635648A - 视频实时边缘检测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及视频检测***，本发明的基于FPGA的视频实时边缘检测***，包括主控FPGA模块、摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器，主控FPGA模块分别与摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器连接；其中主控FPGA模块包括I²C配置模块、视频数据采集模块、SDRAM控制模块、Sobel边缘检测模块和VGA控制模块，FPGA首先通过I²C总线完成对摄像头的初始化，然后将采集到的数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像数据通过FIFO_IN模块在SDRAM模块中进行缓冲。本发明***速度快，精度高，能够很好的应用在目标识别、目标跟踪、智能视频监控等领域。

Description

视频实时边缘检测***

技术领域

本发明涉及视频检测***，尤其涉及一种视频实时边缘检测***。

背景技术

随着科技的发展，视频采集***越来越广泛的应用于各个领域，如体育直播、视频会议、导弹的电视制导等等。而图像边缘是图像的基本特征之一，其中包含了很重要的边界信息，这些信息是图像分析、目标识别的基础。在交通信息控制应用领域中，边缘检测已经是车牌识别、车流量监控、自动导航等技术中的重要环节。通过有效的边缘检测，可以大大简化后续图像处理过程对图像信息的分析工作。对于视频图像的边缘检测，若采用软件方式实现由于受到***处理速度的限制，容易出现断帧现象，这对于要求实时处理的情况下将是一个很大的缺陷。硬件实现主要有基于专用芯片、基于DSP和基于FPGA的三种处理方式。基于专用芯片方式并不适合前期产品的开发。基于DSP的方式在运算速度、数据吞吐量等方面有限制。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种基于FPGA的视频实时边缘检测***，其利用FPGA良好的并行结构，使计算速率得到了很大的提升，达到了***的实时性要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括主控FPGA模块、摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器，主控FPGA模块分别与摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器连接；其中主控FPGA模块包括I²C配置模块、视频数据采集模块、SDRAM控制模块、Sobel边缘检测模块和VGA控制模块，FPGA首先通过I²C总线完成对摄像头的初始化，然后将采集到的数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像数据通过FIFO_IN模块在SDRAM模块中进行缓冲，Sobel边缘检测模块通过FIFO_OUT模块读取数据并进行处理，VGA控制模块控制VGA接口的行同步和场同步信号完成VGA显示。

主控FPGA模块采用EP4CE115F29CN7型号。

摄像头采用OV7670型号。

本发明设计了一个基于FPGA的视频实时边缘检测***，利用FPGA良好的并行结构，使计算速率得到了很大的提升，达到了***的实时性要求。实现了VGA分辨率视频在液晶屏上的彩色显示、灰度显示、边缘检测图像显示。该***速度快，精度高，能够很好的应用在目标识别、目标跟踪、智能视频监控等领域。

附图说明

图1为***整体结构框图；

图2为I2C传输时序图；

图3为数据采集时序仿真图；

图4为Sobel梯度算子；

图5为卷积硬件结构图；

图6为SignaltapⅡ抓取VGA时序图。

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于FPGA的视频实时边缘检测***的设计。

一、***的总体设计

本***基于一片Altera公司的CycloneIV系列EP4CE115F29CN7主控FPGA，***的整体结构框图如图1所示。主要包括：摄像头I2C配置模块、视频数据采集模块、SDRAM控制模块、Sobel边缘检测模块和VGA控制模块。FPGA首先通过I2C总线完成对OV7670的初始化，然后将采集到的数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像数据通过FIFO_IN模块在SDRAM中进行缓冲，Sobel边缘检测模块通过FIFO_OUT模块读取数据并进行处理，VGA控制模块控制VGA接口的行同步和场同步信号完成VGA显示。

二、视频采集与边缘检测子模块

I²C配置模块

本***采用OmniVision公司的OV7670这一款CMOS传感器，为***提供视频信号。通过SCCB(SerialCameraControlBus)总线对OV7670的共201个控制寄存器进行配置，来改变输出数据的格式、视频分辨率、传输方式，调整图像的白平衡、饱和度、色度、伽玛曲线等。两线制的SCCB总线与I²C总线相同，都是双向两线制同步串行总线。I²C传输时序如图2所示，I²C_SCLK就等同于SCCB中的SIOC、I²C_SDAT就等同于SCCB中的SIOD，模块每次传输24位数据，前8位为从设备地址(0x42代表写寄存器，0x43代表度寄存器)，中间8位是从设备寄存器地址，最后8位是对寄存器进行配置的数据。

视频数据采集模块

视频数据采集模块，主要是通过FPGA配合CMOS摄像头OV7670的行、场同步信号采集图像数据。首先通过配置控制寄存器，控制OV7670输出视频数据为RGB565格式。因为OV7670数据位宽为8，视频数据采集模块主要是将采集到的前后2个8位数据合并成一个16位数据，以方便数据在SDRAM中的缓存以及后续模块的处理。如图3所示为数据采集ModelSim时序仿真图。

SDRAM控制模块

SDRAM模块主要有FIFO和片外SDRAM两部分组成，因为CMOS摄像头OV7670采集的数据速率和SDRAM读写速率是不一样的，为了匹配这两个不同传输速率的模块，其中必须添加一个FIFO存储器。其中FIFO不需要单独通过语言描述得到，只需要通过MegaWizard工具配置得到。本设计中用到的SDRAM为DE2-115开发板上的两个64M字节SDRAM，其中每个SDRAM又包含4个BANK。SDRAM行地址线和列地址线是复用13位的地址总线，在读写时，先要激活某个BANK，接着锁存行地址，最后在读写指令有效时锁存列地址。SDRAM的最高读写速率可达到166MHz，本***中应用为100MHz，同时每个时钟上升沿又可读写16bit数据，因此SDRAM完全可以实现数据的无缝缓冲工作。

Sobel边缘检测模块

图像边缘是一幅图像中灰度变化比较剧烈的区域，计算灰度图像中各区域的梯度幅值可以用来判定图像的边缘信息。设图像的亮度为f(x,y)，则梯度可以定义如下：

$\▿\▿f(x,y)={[\∂f(x,y)/\∂x,\∂f(x,y)/\∂y]}^T={[f_x(x,y),f_y(x,y)]}^T...\left(1\right)$

幅值为：|▽f(x,y)|＝[f_x ²(x,y)，f_y ²(x,y)]^1/2……………………(2)

方向为：θ＝arctan[f_y(x,y)/f_x(x,y)]………………………………(3)

Sobel边缘检测便是是基于梯度的检测，其利用Sobel算子如图4所示Gx与Gy，在3×3的图像邻域内和亮度数据做卷积运算，表达式如下：

$\begin{array}{c}{f}_x(x,y)=f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)-f(x-1,y-1)\\ -2f(x,y-1)-f(x+1,y-1)\end{array}\·\·\·\left(4\right)$

$\begin{array}{c}{f}_x(x,y)=f(x+1,y-1)+2f(x+1,y)+f(x+1,y+1)-f(x-1,y-1)\\ -2f(x-1,y)-f(x-1,y+1)\end{array}\·\·\·\left(5\right)$

用硬件做边缘检测，由于是实时处理，SDRAM中缓存的数据只是连续视频图像中一帧图像，而且视频数据还不停的从摄像头中传过来，因此就不能像软件处理那样先建立一个二维的数据阵列，这样就必须采用流水线方式进行运算，流水线数目和每次参加运算的像素数目相等，这里就总共需要9条流水线。为此专门设计了3Line_Buffer来完成式(4)与式(5)的运算，3条Line_Buffer由MegaWizard中配置的altshift_tab完成，altshift_tab实际上就是一个移位寄存器，因为视频分辨率为640×480像素，所以每条Line_Buffer实际是向后移位一整行，也就是640个像素值。这样就等同于3条Line_Buffer中的数据视频图像中相毗邻的三行图像数据，这3行数据再与Sobel算子做卷积。如图5所示为卷积运算硬件结构图，其中P₉—P₁为像素数据，X₉—X₁为Sobel梯度算子。乘法与并行加法部分分别有MegaWizard配置的altmult_add和parallel_add完成。

VGA显示模块

VGA显示器的显示采用逐行扫描，从屏幕左上方开始，从左到右，从上到下扫描。每一行的现实受到行同步信号(HREF)控制，每一帧的信号受到场同步信号(VSYNC)控制。本***中CMOS摄像头采集图像分辨率为640×480像素，VGA(640×480)的工业标准为行扫描：Ta(同步脉冲)＝96，Tb(行消隐后肩)＝40，Tc＝8，Td(有效时序)＝640，Te＝80，Tf(行消隐前肩)＝8，Tg(行周期)＝800；场扫描：Ta(同步脉冲)＝2，Tb(场消隐后肩)＝25，Tc＝8，Td(有

效时序)＝480，Te＝8，Tf(场消隐前肩)＝2，Tg(场周期)＝525。图6为由SignalTapII抓取的VGA时序图，其中最后一行数据为当前一帧视频所显示的行数统计。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的视频实时边缘检测***，其特征在于，包括主控FPGA模块、摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器，主控FPGA模块分别与摄像头、SDRAM模块、VGA液晶显示器连接；其中主控FPGA模块包括I²C配置模块、视频数据采集模块、SDRAM控制模块、Sobel边缘检测模块和VGA控制模块，FPGA首先通过I²C总线完成对摄像头的初始化，然后将采集到的数据通过视频数据采集模块转换成RGB565标准的视频数据，图像数据通过FIFO_IN模块在SDRAM模块中进行缓冲，Sobel边缘检测模块通过FIFO_OUT模块读取数据并进行处理，VGA控制模块控制VGA接口的行同步和场同步信号完成VGA显示。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的视频实时边缘检测***，其特征在于，主控FPGA模块采用EP4CE115F29CN7型号。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的视频实时边缘检测***，其特征在于，摄像头采用OV7670型号。